Lactic Acid Production from Agribusiness Waste Starch Fermentation with Lactobacillus Amylophilus and its Cradle-to-Gate Life Cycle Assessment as a Precursor to Poly-L-Lactide

Jusqu'à présent, la production industrielle du polylactide (PLA) en Amérique du Nord repose essentiellement sur la culture du maïs, qui est une ressource renouvelable. Toutefois, certaines problématiques, tels que la surexploitation des terres arables, la hausse du prix des céréales et l'usage abusif de fertilisants chimiques, ont été soulevées face à la production du maïs, surtout en ce qui a trait à son utilisation autre qu'alimentaire. Les déchets agroalimentaires seraient une alternative attrayante au maïs, de par leur riche contenu en carbohydrates, leur composition stable et leur disponibilité. Ainsi, ils représentent un potentiel de valorisation de déchets pour la synthèse du polylactide. Les eaux usées de l'industrie de transformation de la pomme de terre font partie de cette alternative. Durant la coupe des pommes de terre, un débit d'eau enlève l'excès d'amidon. Cet amidon peut être récupéré par centrifugation. NatureWorks LLC, une division de Cargill, possède la seule usine à grande échelle pour la production commerciale de PLA. L'acide lactique produit par Cargill est obtenu par la fermentation de dextrose (D-glucose) provenant de l'hydrolyse d'amidon de maïs. L'utilisation d'une bacteria lactique ayant des propriétés amylolytiques, c'est-à-dire pouvant hydrolyser ellemême l'amidon, permettrait de réduire les étapes de production du polylactide. Lactobacillus amylophilus, qui est homofermentaire, amylolytique et non-pathogénique, a été ciblé comme candidate potentielle pour la production d'acide lactique par fermentation. Une analyse du cycle de vie (ACV) comparative de type berceau à la porte de l'usine (« cradleto- gate ») a été réalisée afin d'évaluer les possibles bénéfices environnementaux qui pourraient découler de la production du polylactide via la fermentation directe d'un résidu d'amidon, récupéré des eaux usées d'une usine de production de croustilles, avec L. amylophilus. Cette étude environnementale a été menée en comparant les impacts de cette méthode de production de l'acide lactique à celle d'un procédé conventionnel à partir de dextrose de maïs. Préliminairement à cette étude, des expérimentations en laboratoire ont été réalisées et ont démontré la faisabilité microbiologique de produire de l'acide lactique avec ce déchet et L. amylophilus. Les pourcentages d'acide lactique obtenus par la fermentation d'un milieu synthétique de glucose, d'amidon de patate commercial et de résidu d'amidon ont été comparés. L'analyse des résultats de l'ACV ont démontré que le polylactide produit à partir de ce résidu de la pomme de terre, et dont le procédé de production d'acide lactique a subi entre autre une optimisation adéquate de sa consommation énergétique pourrait avoir des impacts environnementaux au moins équivalents à ceux du polylactide produit via le procédé conventionnel. Cette analyse du cycle de vie a permis de soulever que l'utilisation de vapeur lors de la concentration de l'acide lactique est un processus qui contribue de façon considérable aux impacts sur les ressources et les changements climatiques du polylactide. Ainsi, une fermentation menant à une concentration plus faible d'acide lactique requière une optimisation énergétique accrue. Le peu de publications existantes sur L. amylophilus et l'inaccessibilité aux données industrielles furent partie des contraintes rencontrées pour ce projet.

Abstract

Up to now, the industrial synthesis of polylactic acid (PLA) in North America relies essentially on the production of corn, which is a renewable resource. However, problems such as over exploitation of fertile soils, the increase of cereal price and the abusive use of chemical fertilizers, have been raised for this crop production, especially for its non-food utilization. Agri-food wastes show a promising alternative with their rich carbohydrate content, relatively stable composition and availability. Therefore, they represent an appealing waste valorization target for an eventual PLA production. Potato wastewater is one of these. During the slicing process in potato transformation, water is used to remove the excess of starch. Starch can be recovered from water after proper centrifugations. NatureWorks LLC has the only large-scale commercial production facility of PLA and is totally owned by Cargill. Lactic acid is presently produced by Cargill with the fermentation of dextrose (D-glucose), from the hydrolysis of corn starch. The use of an amylolytic lactic acid microorganism could allow the direct fermentation of starch, reducing the processing steps for lactic acid synthesis. Lactobacillus amylophilus, which has homofermentative, amylolytic and nonpathogenic characteristics, could be an interesting micro-organism for L-lactic acid production. A comparative cradle-to-gate life cycle assessment (LCA) was carried out to evaluate the potential environmental benefits of producing lactic acid for polylactide usage by directly fermenting potato waste starch, recuperated from the wastewater of a potato chip facility, with L. amylophilus. This environmental assessment was carried out by comparing its environmental impacts to the conventional process of lactic acid fermentation of dextrose from corn. Laboratory-scale experiments were performed and have proven the microbial feasibility of producing lactic acid with L. amylophilus and this agribusiness residue. To do so, lactic acid concentrations obtained from synthetic media fermentations supplied with glucose, commercial potato starch or potato waste starch were compared. The LCA results have demonstrated that polylactide produced from potato waste starch could have, with proper energy and nutrient concentration optimization, at least more or less the same impact in most end-point categories studied. This LCA has underlined that steam utilization is a major contributor process in climate change and resource depletion impacts and that a fermentation which leads to a more diluted final lactic acid concentration require more energy utilization improvements. The lack of publications about L. amylophilus and the inaccessibility to industrial data proved to be challenges in this project.